Tema 3: Resolución de problemas con computadoras 2014

Transcripción

1 Resolución de problemas La Informática puede definirse también como la ciencia que estudia el análisis y resolución de problemas utilizando computadoras. La computadora es una máquina digital con capacidad de cálculo numérico y lógico, que opera controlada por un programa almacenado. Esto quiere decir que internamente tiene órdenes o instrucciones que la computadora podrá leer, interpretar y ejecutar ordenadamente. Un programa es un conjunto de instrucciones ejecutables en una computadora, que permite cumplir una función específica o requerimiento que debe satisfacer. Para resolver problemas los programas operan con datos. Los datos representan objetos del mundo real que permiten modelar aspectos de un problema que se desea resolver. La representación de los datos, aun los más simples, como los números, las letras, un nombre o un color, requiere una transformación desde el mundo real a alguna forma de representación binaria que pueda ser interpretada por la computadora. Las dos cuestiones más importantes que debe enfrentar quien debe escribir un programa para resolver un problema mediante una computadora son: Definir el conjunto de instrucciones cuya ejecución ordenada conduce a la solución. Elegir la representación adecuada de los datos del problema. En síntesis, las computadoras son una poderosa herramienta para la resolución de problemas, pero su potencialidad está en función de la capacidad de programación de soluciones adecuadas a cada problema particular. La función esencial del especialista informático es explotar la potencialidad de las computadoras (velocidad, exactitud, confiabilidad) para resolver problemas del mundo real. Para lograr esto debe analizar el problema, ser capaz de sintetizar sus aspectos esenciales (abstracción) y poder especificar la solución que se desea. Etapas en la resolución de problemas: el ciclo de vida del software Desde el planteo inicial de un problema hasta que se obtiene el correspondiente programa o aplicación, su instalación y funcionamiento en una computadora, se sigue una serie de pasos que en conjunto constituyen lo que en Ingeniería de Software se denomina ciclo de vida del software. Si bien se reconoce que el proceso de diseñar programas es esencialmente creativo, los pasos o etapas comunes que generalmente deben seguir los programadores son: - Análisis: Estudio detallado del problema con el fin de obtener una serie de documentos (especificaciones o requerimientos) en los que quede totalmente definido el proceso de la automatización. - Diseño: Determinación de una solución o algoritmo para el problema planteado. - Codificación: La solución se escribe en la sintaxis de un lenguaje de programación, obteniéndose así el programa o código fuente. - Compilación, ejecución, verificación y depuración: El programa fuente se convierte a código binario ejecutable, se corre en la computadora, se comprueba rigurosamente y se eliminan todos los errores que puedan detectarse. - Mantenimiento. El programa se actualiza y modifica cada vez que sea necesario en función de los requerimientos de los usuarios. Esta es la etapa más larga del ciclo de vida de desarrollo de software y puede durar muchos años. - Documentación: Se documentan las distintas etapas del ciclo de vida del software, fundamentalmente el análisis, diseño y codificación, a los que se agrega manuales de usuario y de referencia, así como también normas para el mantenimiento. Página 1 de 5

2 Análisis del problema: Esta etapa requiere una clara definición donde se contemple exactamente lo que debe hacer el programa y el resultado o solución deseada. Para definir correctamente un problema es conveniente responder a las siguientes preguntas: - Qué entradas se requieren? (tipo y cantidad) - Cuál es la salida deseada? (tipo y cantidad) - Qué método produce la salida deseada? Diseño del algoritmo: Se especifica cómo hará el programa la tarea solicitada. Codificación de un programa: Codificación es la escritura en un lenguaje de programación de la representación de un algoritmo desarrollado en las etapas precedentes. Para realizar la conversión de un algoritmo en un programa, las operaciones indicadas en el algoritmo se expresan en el lenguaje de programación elegido, respetando sus reglas y sintaxis. Como resultado se obtiene un archivo que se almacena en la computadora y se conoce como programa fuente o código simplemente. El objetivo del programador debe ser escribir programas sencillos y claros, que sean fáciles de actualizar, ya sea por quien los escribió o por otros programadores. Compilación y ejecución de un programa La compilación consiste en la traducción del programa fuente a lenguaje de máquina. Si luego de la compilación se presentan errores (errores de compilación), es necesario editar nuevamente el programa, corregir los errores y compilar otra vez. Este proceso se repite hasta que no se presenten más errores, obteniéndose el programa objeto, que todavía no es ejecutable directamente. A continuación, se realiza la fase de montaje o enlace (link), que completa el programa objeto con bibliotecas existentes (también conocidas como librerías) o rutinas propias del compilador, para generar el programa ejecutable. Verificación y depuración de un programa La verificación de un programa es el proceso de comprobación de la corrección de un programa. Se realiza mediante la ejecución del mismo con un conjunto de datos de pruebas para determinar si el programa tiene errores. La depuración es el proceso de encontrar los errores y corregir o eliminar dichos errores. En general, existen tres tipos de errores: - Errores de compilación: Se producen normalmente por un uso incorrecto de las reglas del lenguaje de programación y suelen ser errores de sintaxis. - Errores de ejecución: Se producen por instrucciones que la computadora puede comprender pero no ejecutar. - Errores lógicos: Se producen en la lógica del programa y la fuente del error suele ser el diseño del algoritmo. Estos errores son los más difíciles de detectar porque el programa funciona sin producir mensajes de error, el error solo se advierte por la obtención de resultados incorrectos. Documentación y mantenimiento La documentación de un programa consiste en la descripción de los distintos pasos en el proceso de resolución de un problema. La importancia de la documentación debe ser destacada por su decisiva influencia en el producto final: programas pobremente documentados son difíciles de leer, más difíciles de depurar y casi imposibles de mantener y modificar. La documentación de un programa puede ser: interna o externa. La interna es la contenida en los comentarios del programa fuente, que son explicaciones intercaladas con el código para ayudar a comprender pasos específicos. Se identifican con una sintaxis específica para que el compilador las ignore, es decir, para que entienda que no es una Página 2 de 5

3 instrucción que debe ejecutar. Esta sintaxis depende del lenguaje de programación. La externa incluye análisis, diagramas de flujo y/o pseudocódigos, y manuales del usuario con instrucciones para ejecutar el programa y para interpretar los resultados. La documentación es especialmente importante cuando deben introducirse cambios en los programas. Después de cada cambio la documentación debe ser actualizada. Algoritmos: concepto y características Un algoritmo es un método para resolver problemas. Más específicamente, es un conjunto finito de reglas que dan una secuencia de operaciones para resolver un problema específico. Para llegar a la realización de un programa es necesario el diseño previo de un algoritmo, de modo que sin algoritmo no puede existir un programa. Los algoritmos son independientes tanto del lenguaje de programación en que se expresan como de la computadora que los ejecuta. En cada problema el algoritmo se puede expresar en un lenguaje diferente de programación o ejecutarse en una computadora distinta, sin embargo el algoritmo será siempre el mismo. En la ciencia de la computación y en la programación, los algoritmos son más importantes que los lenguajes de programación o las computadoras. Un lenguaje de programación es tan solo un medio para expresar un algoritmo y una computadora es solo un procesador para ejecutarlo. Características de los algoritmos Precisión: el algoritmo debe indicar el orden de realización de cada acción, de forma clara y sin ambigüedades. Además, el algoritmo debe ser concreto en el sentido de contener sólo el número de pasos precisos para llegar a la solución (no deben darse pasos de más). Repetitividad: el algoritmo debe poder repetirse tantas veces como se quiera, alcanzándose siempre los mismos resultados para una misma entrada, independientemente del momento de ejecución. Finitud: el algoritmo debe terminar en algún momento. No toda secuencia ordenada de pasos a seguir puede considerarse como un algoritmo. Calidad de un algoritmo Validez: El algoritmo construido hace exactamente lo que se pretende hacer. Eficiencia: El algoritmo debe dar una solución en un tiempo razonable. Optimización: Se trata de dar respuesta a la cuestión de si el algoritmo diseñado para resolver el problema es el mejor. En el algoritmo se plasman las tres partes fundamentales de una solución informática: Entrada, información dada al algoritmo. Proceso, cálculos necesarios para encontrar la solución del problema. Salida, resultados finales de los cálculos. Métodos de representación de algoritmos Una computadora solo es capaz de resolver un problema si se le indica paso a paso las acciones que debe realizar. Estos pasos sucesivos constituyen, como ya se vio, el algoritmo. Escribir un algoritmo consiste en realizar una descripción del método o conjunto de reglas que se propone para resolver un problema. Estas reglas tienen las siguientes propiedades: - Debe seguirse una secuencia definida de pasos hasta que se obtenga el resultado. Página 3 de 5

4 - Sólo puede ejecutarse una operación a la vez. El hecho de que un algoritmo deba especificar un conjunto finito y ordenado de pasos a seguir, no es contradictorio con la posibilidad de realizar algunas de las operaciones solo bajo ciertas condiciones (por ejemplo, calcular el recargo de una factura solo si está vencida), indicar la repetición de algunas de las instrucciones un número de veces conocido de antemano (por ejemplo 10 veces) o aun un número no conocido de veces que se determinará a partir de los datos de entrada recibidos (por ejemplo, mientras el operador ingrese valores mayores que 0). Estas acciones se conocen como alteraciones en el flujo de control, es decir en el orden de ejecución de las instrucciones del algoritmo, y permiten expresar las soluciones de problemas complejos como la repetición selectiva de operaciones sencillas. Para escribir algoritmos se utilizan diversas técnicas que buscan eliminar la ambigüedad del lenguaje coloquial en la especificación de sus pasos. Los métodos usuales para representar un algoritmo son: a) Diagrama de flujo b) Lenguaje de especificación de algoritmo: seudocódigo c) Lenguaje natural: español, inglés. d) Fórmulas matemáticas Los métodos c) y d) no son fáciles de transformar en programas. Diagrama de flujo Un diagrama de flujo (flowchart) es una de las técnicas de representación de algoritmos más antiguas pero su utilización ha disminuido desde la aparición de los lenguajes de programación estructurados. Un diagrama de flujo es un método de representación gráfica que utiliza un conjunto de símbolos, de forma que cada paso del algoritmo se visualiza dentro del símbolo adecuado y el orden en que se realizan los pasos se representa por medio de flechas que indican el flujo lógico del algoritmo. Ventajas de los diagramas: - Rápida comprensión de las relaciones. - Comunicación: es más visual, "una imagen dice más que mil palabras". - Documentación. Limitaciones: - Los diagramas complejos y detallados pueden ser muy laboriosos de realizar y de consultar. - No existen normas que indiquen el nivel de detalles que debe incluirse en un diagrama. Las especificaciones se formalizan utilizando variables. Las variables representan a los datos que se procesan. El nombre de una variable debe ser nemotécnico, es decir, representativo de su contenido. Este nombre debe respetarse en todo el diagrama. Las constantes alfanuméricas se utilizan en un diagrama como caracteres encerrados entre comillas. En el ejercicio ejemplo, el valor del promedio calculado se mostrará en papel impreso con la leyenda Promedio de notas. El sentido de las flechas indica la secuencia de ejecución de las instrucciones. En representación de algoritmos, los siguientes términos representan las operaciones más usuales: Acumulador: Un acumulador es una variable, definida por el programador, que hace referencia a una dirección de memoria que almacenará un "total móvil" de valores individuales a medida que vayan apareciendo en el proceso. Contador: Es una variable que se incrementa en un valor constante y se utiliza para registrar el número de veces que se presenta un evento. Página 4 de 5

5 Iteración o bucle (loop): Es un conjunto de instrucciones que se procesa repetidamente hasta que se cumpla la condición de salida. Seudocódigo El pseudocódigo es un lenguaje de especificación (descripción) de algoritmos, que facilita el paso a la codificación en un lenguaje de programación. Es más fácil de entender para las personas que el código de lenguaje de programación. No puede ser ejecutado por una computadora directamente aunque existen algunas herramientas que permiten el diseño y prueba de seudocódigo). Ventajas: - El programador puede concentrarse en la lógica y en las estructuras de control del programa sin preocuparse por las reglas de un lenguaje de programación específico. - Facilita la modificación del algoritmo si se descubren errores. - Puede ser traducido fácilmente a lenguajes de programación estructurados tales como Pascal, Fortran, C, C#, etc. Todo seudocódigo debe posibilitar la descripción de: - Instrucciones de entrada/salida. - Instrucciones de proceso. - Sentencias de control del flujo de ejecución. - Acciones compuestas, que se refinan posteriormente (subprogramas o rutinas). El seudocódigo consta de dos componentes: una cabecera y un bloque de algoritmo. La cabecera es una acción simple que comienza con la palabra ALGORITMO, seguida del nombre asignado al programa. El bloque algoritmo es el resto del programa y consta de dos secciones: las acciones de declaraciones y las acciones ejecutables. Las declaraciones definen o declaran las variables o constantes que tengan nombres. Las acciones ejecutables son las acciones que posteriormente se realizarán cuando el algoritmo convertido en programa se ejecute. Cabecera del programa Sección de declaración Sección de acciones a) Cabecera del programa o algoritmo: Indica el nombre del algoritmo/programa b) Declaración de variables: En esta sección se declaran o describen todas las variables utilizadas en el algoritmo, listando sus nombres y especificando sus tipos. Esta sección comienza con la palabra reservada VAR (se puede usar también la palabra reservada VARIABLES). c) Declaración de constantes: Se declaran las constantes del programa. d) Declaración de constantes y variables de tipo carácter: Las constantes de carácter simple y cadenas de caracteres se declaran igual que las numéricas e) Comentarios: Es conveniente y útil incluir en el código comentarios significativos con el objeto de facilitar la corrección y mantenimiento. Existen diferentes notaciones de acuerdo al lenguaje de programación. Por ejemplo en Pascal los comentarios se encierran entre paréntesis y asterisco (* y *) o entre llaves { y }. Página 5 de 5